Title: Narrowband Searches for Continuous and Long-duration Transient Gravitational Waves from Known Pulsars in the LIGO-Virgo Third Observing Run
Abstract Isolated neutron stars that are asymmetric with respect to their spin axis are possible sources of detectable continuous gravitational waves. This paper presents a fully coherent search for such signals from eighteen pulsars in data from LIGO and Virgo’s third observing run (O3). For known pulsars, efficient and sensitive matched-filter searches can be carried out if one assumes the gravitational radiation is phase-locked to the electromagnetic emission. In the search presented here, we relax this assumption and allow both the frequency and the time derivative of the frequency of the gravitational waves to vary in a small range around those inferred from electromagnetic observations. We find no evidence for continuous gravitational waves, and set upper limits on the strain amplitude for each target. These limits are more constraining for seven of the targets than the spin-down limit defined by ascribing all rotational energy loss to gravitational radiation. In an additional search, we look in O3 data for long-duration (hours–months) transient gravitational waves in the aftermath of pulsar glitches for six targets with a total of nine glitches. We report two marginal outliers from this search, but find no clear evidence for such emission either. The resulting duration-dependent strain upper limits do not surpass indirect energy constraints for any of these targets.  more » « less
Award ID(s):
1806990 2110181 1806577 2110360 1806461 1806656 2110509 1912630 1912649 2110575 2012057 2011786 2011334 2207920 1912632 2110594
PAR ID:
10342250
Author(s) / Creator(s):
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Date Published:
Journal Name:
The Astrophysical Journal
Volume:
932
Issue:
2
ISSN:
0004-637X
Page Range / eLocation ID:
133
Format(s):
Medium: X
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National Science Foundation
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  1. Abstract We present a targeted search for continuous gravitational waves (GWs) from 236 pulsars using data from the third observing run of LIGO and Virgo (O3) combined with data from the second observing run (O2). Searches were for emission from the l = m = 2 mass quadrupole mode with a frequency at only twice the pulsar rotation frequency (single harmonic) and the l = 2, m = 1, 2 modes with a frequency of both once and twice the rotation frequency (dual harmonic). No evidence of GWs was found, so we present 95% credible upper limits on the strain amplitudes h 0 for the single-harmonic search along with limits on the pulsars’ mass quadrupole moments Q 22 and ellipticities ε . Of the pulsars studied, 23 have strain amplitudes that are lower than the limits calculated from their electromagnetically measured spin-down rates. These pulsars include the millisecond pulsars J0437−4715 and J0711−6830, which have spin-down ratios of 0.87 and 0.57, respectively. For nine pulsars, their spin-down limits have been surpassed for the first time. For the Crab and Vela pulsars, our limits are factors of ∼100 and ∼20 more constraining than their spin-down limits, respectively. For the dual-harmonic searches, new limits are placed on the strain amplitudes C 21 and C 22 . For 23 pulsars, we also present limits on the emission amplitude assuming dipole radiation as predicted by Brans-Dicke theory. 
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  2. Abstract Among known neutron stars, the Vela pulsar is one of the best targets for gravitational-wave searches. It is also one of the most prolific in terms of glitches, which are sudden frequency changes in a pulsar’s rotation. Such glitches could cause a variety of transient gravitational-wave signals. Here, we search for signals associated with a Vela glitch on 2024 April 29 in data of the two LIGO detectors from the fourth LIGO–Virgo–KAGRA observing run. We search both for seconds-scale burst-like emission, primarily from fundamental (f-)mode oscillations, and for longer quasi-monochromatic transients up to 4 months in duration, primarily from quasi-static quadrupolar deformations. We find no significant detection candidates, but for the first time we set direct observational upper limits on gravitational strain amplitude that are stricter than what can be indirectly inferred from the overall glitch energy scale. We discuss the short- and long-duration observational constraints in the context of specific emission models. These results demonstrate the potential of gravitational-wave probes of glitching pulsars as detector sensitivity continues to improve. 
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  3. Abstract Rotating nonaxisymmetric neutron stars (NSs) are promising sources for continuous gravitational waves (CWs). CWs may, if detected, inform us about the internal structure and equation of state of NSs. Here, we present a narrowband search for CWs from known pulsars, for which a matched-filter search can be applied. Narrowband searches are robust to mismatches between electromagnetic (EM) and gravitational emissions, in contrast to fully targeted searches where they are assumed to be phase-locked. In this work, we search for the CW counterparts emitted by 34 pulsars using data from the first and second parts of the fourth LIGO–Virgo–KAGRA observing run. We use the 5n-vector narrowband pipeline, which applies frequency-domain matched filtering. In previous searches, it covered a narrow range in the frequency—frequency time derivative (f— ḟ ) space. Here, we also explore a range in the second time derivative of the frequency f̈ around the EM observations. Additionally, for the first time, we target sources in a binary system with this kind of search. We find no evidence for CWs and therefore set upper limits on the strain amplitude emitted by each pulsar. For 20 analyses, we report an upper limit below the theoretical spin-down limit. The tightest constraint is for pulsar PSR J0534+2200 (the Crab pulsar), for which our strain upper limit on the CW amplitude corresponds to ≤0.04% of the spin-down power being radiated in the CW channel. 
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  4. Abstract Continuous gravitational waves (CWs) emission from neutron stars carries information about their internal structure and equation of state, and it can provide tests of general relativity. We present a search for CWs from a set of 45 known pulsars in the first part of the fourth LIGO–Virgo–KAGRA observing run, known as O4a. We conducted a targeted search for each pulsar using three independent analysis methods considering single-harmonic and dual-harmonic emission models. We find no evidence of a CW signal in O4a data for both models and set upper limits on the signal amplitude and on the ellipticity, which quantifies the asymmetry in the neutron star mass distribution. For the single-harmonic emission model, 29 targets have the upper limit on the amplitude below the theoretical spin-down limit. The lowest upper limit on the amplitude is 6.4 × 10−27for the young energetic pulsar J0537−6910, while the lowest constraint on the ellipticity is 8.8 × 10−9for the bright nearby millisecond pulsar J0437−4715. Additionally, for a subset of 16 targets, we performed a narrowband search that is more robust regarding the emission model, with no evidence of a signal. We also found no evidence of nonstandard polarizations as predicted by the Brans–Dicke theory. 
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  5. Abstract We present a search for continuous gravitational-wave emission due to r-modes in the pulsar PSR J0537–6910 using data from the LIGO–Virgo Collaboration observing run O3. PSR J0537–6910 is a young energetic X-ray pulsar and is the most frequent glitcher known. The inter-glitch braking index of the pulsar suggests that gravitational-wave emission due to r-mode oscillations may play an important role in the spin evolution of this pulsar. Theoretical models confirm this possibility and predict emission at a level that can be probed by ground-based detectors. In order to explore this scenario, we search for r-mode emission in the epochs between glitches by using a contemporaneous timing ephemeris obtained from NICER data. We do not detect any signals in the theoretically expected band of 86–97 Hz, and report upper limits on the amplitude of the gravitational waves. Our results improve on previous amplitude upper limits from r-modes in J0537-6910 by a factor of up to 3 and place stringent constraints on theoretical models for r-mode-driven spin-down in PSR J0537–6910, especially for higher frequencies at which our results reach below the spin-down limit defined by energy conservation. 
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